一种汽车前纵梁截面设计方法及汽车前纵梁与流程

1.本发明涉及汽车车身技术领域，尤其涉及一种汽车前纵梁截面设计方法及汽车前纵梁。


背景技术：

2.前纵梁是汽车正面碰撞的主要吸能部件之一，前纵梁的设计对于汽车前碰安全性影响很大。其中，前纵梁的截面形状对汽车的吸能特性有很大影响。
3.目前，前纵梁的截面方案往往通过参考对标车以及工程师的以往设计经验得出，缺乏有理有据的正向设计，难以做到合理设计。在这种设计思路下的前纵梁截面一般为单一的矩形，这种单一的结构在碰撞过程中吸能效率较低且不够轻量化。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种基于汽车正碰的碰撞安全开发策略进行的汽车前纵梁截面设计方法。
5.本发明提供的汽车前纵梁截面设计方法包括以下步骤：
6.根据碰撞安全开发策略，进行碰撞载荷目标设定与分解，得到前纵梁的轴向压溃截面力目标值；
7.创建不同形状的前纵梁截面及其截面参数和单轴压溃简单拉伸模型，并计算其轴向压溃截面力；
8.判断得到的轴向压溃截面力是否大于前纵梁的轴向压溃截面力目标值，若符合大于，则计算对应的前纵梁截面参数的截面效率和吸能效率；
9.根据得到的符合条件的前纵梁截面参数的截面效率和吸能效率，对不同形状的前纵梁截面进行优选；
10.根据得到的优选结果和设计边界，进行前纵梁结构设计。
11.进一步地，所述碰撞安全开发策略包括：将车身正碰时产生吸能的车身前部部件由前至后定义为第一吸能阶段、第二吸能阶段和第三吸能阶段，第一吸能阶段包括前防撞梁，第二吸能阶段包括位于前防撞梁后端至前围挡板前端之间的前纵梁组件和前上纵梁组件，第三吸能阶段包括前围挡板前部。
12.进一步地，所述碰撞安全开发策略还包括将最大峰值加速度a
max
、最大侵入量i
max
和每个吸能阶段的平均力之间的逐级吸能阶梯作为设计输入。
13.进一步地，所述逐级吸能阶梯为20％，第二吸能阶段的平均力f2需较第一吸能阶段的平均力f1增大20％以上，第三吸能阶段的平均力f3需较第二吸能阶段的平均力f2增大20％以上。
14.进一步地，所述碰撞载荷目标设定与分解包括：通过计算得到前纵梁的轴向压溃截面力目标值、第二吸能阶段的平均力f2、第三吸能阶段的平均力f3和平均加速度a，并确保上述参数符合碰撞安全开发策略。
15.进一步地，所述碰撞载荷目标设定与分解包括：
16.根据公式得到总动能e0；
17.根据公式e
r
＝0.2
·
e0得到碰撞后总动能e
r
；
18.根据公式e
v
＝e
0-e
r-e
b
得到车身吸能e
v
；
19.根据公式e
dis
＝0.15
·
e
v
得到其他散耗能e
dis
；
20.根据公式得到第一吸能阶段的吸能e1；
21.根据公式得到第一吸能阶段的平均力f1；
22.根据公式e2＝e
v-e
dis-e
1-e3得到第二吸能阶段的吸能e2；
23.根据公式得到第二吸能阶段的平均力f2；
24.根据平均力f2得到前纵梁平均截面力，将前纵梁平均截面力作为前纵梁的轴向压溃截面力目标值；
25.根据公式得到第三吸能阶段的平均力f3；
26.根据公式得到平均加速度a。
27.进一步地，所述创建前纵梁截面参数及其单轴压溃简单拉伸模型包括：在有限元软件中创建若干个2d截面方案，通过有限元软件创建单轴压溃简单拉伸模型。
28.进一步地，所述截面效率为截面平均荷载力f
average
相对瞬时峰值力f
max
的占比，其表达式为通过将简单拉伸模型导入显式分析软件后计算得出。
29.进一步地，所述设计边界包括动力总成、轮胎包络、真空助力器和传动轴的相关参数。
30.本发明还包括一种汽车前纵梁，所述汽车前纵梁通过权利要求1-9中任一项所述的汽车前纵梁截面设计方法设计而成，所述汽车前纵梁的截面为正六边形。
31.本发明本发明根据碰撞安全开发策略，进行碰撞载荷目标设定与分解，随后创建前纵梁截面参数及其单轴压溃简单拉伸模型并计算其轴向压溃截面力，根据截面效率和吸能效率优选方案，在汽车前纵梁早期概念设计时充分合理地考虑正碰性能得到其截面方案，为汽车前纵梁向正面耐碰性能的结构设计提供了可靠方法和理论依据，提高了设计效率。
32.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
33.图1为本发明提供的汽车前纵梁截面设计方法的流程示意图。
34.图2为创建的多种形状的前纵梁截面的示意图。
35.图3为单轴压溃简单拉伸模型及计算计算其轴向压溃截面力的示意图。
36.图4为本发明提供的左前纵梁实施例一的主视图。
37.图5为本发明提供的左前纵梁实施例一的侧视图。
38.图6为本发明提供的左前纵梁实施例一的a-a剖视图。
39.图7为本发明提供的左前纵梁实施例二的主视图。
40.图8为本发明提供的左前纵梁实施例二的侧视图。
41.图9为本发明提供的左前纵梁实施例二的剖视图。
具体实施方式
42.为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明详细说明如下。
43.请参阅图1，本发明的汽车前纵梁截面设计方法步骤如下：
44.s1：根据碰撞安全开发策略，进行碰撞载荷目标设定与分解，得到前纵梁的轴向压溃截面力目标值。
45.具体地，碰撞安全开发策略包括将车身正碰时产生吸能的车身前部部件由前至后定义为不同的吸能阶段，并设定不同吸能阶段的相关参数，具体地，车身正碰时产生吸能的车身前部部件由前至后定义为第一吸能阶段、第二吸能阶段和第三吸能阶段，不同吸能阶段的相关参数包括第一吸能阶段的理论最大可利用压溃距离a，第二吸能阶段前部的理论最大可利用压溃距离b，第二吸能阶段后部的理论最大可利用压溃距离c，第三吸能阶段的吸能空间s。
46.更具体地，第一吸能阶段包括前防撞梁，第二吸能阶段包括位于前防撞梁后端至前围挡板之间的前纵梁组件和前上纵梁组件，第三吸能阶段包括前围挡板前部区域，需要注意的是，第二吸能阶段包括前纵梁组件和前上纵梁组件的前部区域以及后部区域，但是不包括前纵梁组件和前上纵梁组件的中部理论非压溃区域。在本实施例中，第一吸能阶段的理论最大可利用压溃距离a设定为150mm，第二吸能阶段的理论最大可利用压溃距离(b+c)设定为370mm。
47.进一步地，碰撞安全开发策略还包括将最大峰值加速度a
max
、最大侵入量i
max
和每个吸能阶段的平均力之间的逐级吸能阶梯作为设计输入。
48.在汽车正碰过程中，车身加速度会不可避免地使车内乘员受到冲击而对车内乘员造成伤害，而实际的碰撞加速度是由碰撞过程中的结构变形产生的，因此需要控制碰撞时的平均加速度a不超过预设的最大峰值加速度a
max
，实现抗撞安全控制。在本实施例中，最大峰值加速度a
max
为35kg/n～45kg/n。
49.同理，第三吸能阶段的吸能空间s也需要得到限制，第三吸能阶段的吸能空间s不能超过预设的最大侵入量i
max
。在本实施例中，最大侵入量i
max
为45mm～65mm，而第三吸能阶段的吸能空间s则设定为60mm。
50.类似地，车身前部被分为三个吸能阶段是基于正碰安全开发策略的需要，从前至后的每个吸能阶段的平均力需阶梯型逐级增强，以形成渐进压溃的形式。在本实施例中，从前至后的平均碰撞载荷至少逐次增大20％，即每个吸能阶段的平均力之间的逐级吸能阶梯
设定为20％，第二吸能阶段的平均力f2需较第一吸能阶段的平均力f1增大20％以上，第三吸能阶段的平均力f3需较第二吸能阶段的平均力f2增大20％以上。
51.进一步地，碰撞载荷目标设定与分解包括：通过计算得到前纵梁的轴向压溃截面力目标值、第二吸能阶段的平均力f2、第三吸能阶段的平均力f3和平均加速度a，并确保上述参数符合碰撞安全开发策略。
52.根据cncap标准，100％刚性壁障(rgb)正面碰撞和40％偏置可变形壁障(odb)偏置碰撞均属于正面碰撞，二者的正面碰撞力传递路径是一致的，都可反映车身结构的正面耐撞性。而从车身前端的零部件设计角度而言，由于偏置碰撞比正面碰撞的碰撞力更大，因此可以直接基于偏置碰撞的载荷来设定与分解目标，据此所设计的结构必然也能满足正面碰撞的要求。
53.基于此，本实施例中示出了基于偏置碰撞开展的碰撞载荷目标设定与分解示例，其包括：
54.(a)：根据公式得到总动能e0；
55.式(a)中的碰撞速度υ0根据cncap法规规定为64km/h，即17.78m/s，试验车辆总质量m为1750kg，因此可得总动能e0为276.5kj。
56.(b)：根据公式e
r
＝0.2
·
e0得到碰撞后总动能e
r
；
57.式(b)中的0.2为碰撞后回弹的剩余动能相对初始总动能占比，是工程统计值，总动能e0由式(a)可得为276.5kj，因此根据式(b)可得碰撞后总动能e
r
为55.3kj。
58.(c)：根据公式e
v
＝e
0-e
r-e
b
得到车身吸能e
v
；
59.式(c)中的壁障吸能e
b
为85kj，是壁障受撞击溃缩变形所吸收的能量，经工程统计得出，总动能e0由式(a)可得为276.5kj，碰撞后总动能e
r
由式(b)可得为55.3kj，因此根据式(c)可得车身吸能e
v
为136.2kj。
60.(d)：根据公式e
dis
＝0.15
·
e
v
得到其他散耗能e
dis
；
61.式(d)中的0.15为塑形变形和摩擦发热等耗散能量占比，是工程统计值，车身吸能e
v
由式(c)可得为136.2kj，因此根据式(d)可得其他散耗能e
dis
为20.43kj。
62.(e)：根据公式得到第一吸能阶段的吸能e1；
63.式(e)中的试验车辆碰撞速度v
low
根据低速碰法规为15km/h，试验车辆总质量m为1750kg，因此根据式(e)可得第一吸能阶段的吸能e1为15.2kj。
64.(f)：根据公式得到第一吸能阶段的平均力f1；
65.式(f)中的第一吸能阶段的吸能e1由式(e)可得为15.2kj，第一吸能阶段的理论最大可利用压溃距离a为150mm，吸能效率η1为0.8，吸能效率为一定尺寸的结构空间中发生碰撞时实际吸收能量的比率，即单位质量下的吸能效率，是工程统计值，因此根据式(f)可得第一吸能阶段的平均力f1为126.7kn。
66.(g)：根据公式e2＝e
v-e
dis-e
1-e3得到第二吸能阶段的吸能e2；
67.由式(g)可知，第二吸能阶段的吸能e2和第三吸能阶段的吸能e3与车身吸能e
v
、其他散耗能e
dis
和第一吸能阶段的吸能e1有关，其中车身吸能e
v
、其他散耗能e
dis
和第一吸能阶
段的吸能e1分别已在前置式(c)、式(d)和式(e)中求得，因此通过设定第三吸能阶段的吸能e3的值，即可获得第二吸能阶段的吸能e2的值。
68.通过在嵌入数值关系公式的自动化工具(如excel)中反复调整式(g)中的第三吸能阶段的吸能e3，第二吸能阶段的吸能e2也随之发生变化，进而达到同时调整第二吸能阶段的平均力f2、第三吸能阶段的平均力f3和平均加速度a，并使它们全部符合设计要求的目的。在本实施例中，设计要求为：第二吸能阶段的平均力f2需较第一吸能阶段的平均力f1增大20％以上，第三吸能阶段的平均力f3需较第二吸能阶段的平均力f2增大20％以上；平均加速度a小于最大峰值加速度a
max
。
69.在本实施例中，车身吸能e
v
为136.2kj，其他散耗能e
dis
为20.43kj，第一吸能阶段的吸能e1为15.2kj，第三吸能阶段的吸能e3最终调整为24.7kj，根据式(g)可得第二吸能阶段的吸能e2为70.0kj。
70.(h)：根据公式得到第二吸能阶段的平均力f2；
71.与式(f)类似，式(h)中的第二吸能阶段的吸能e2由式(g)可得为70.0kj，第二吸能阶段的理论最大可利用压溃距离(b+c)为370mm，吸能效率η2为0.8，因此根据式(h)可得第二吸能阶段的平均力f2为237.5kn。
72.(i)：根据平均力f2得到前纵梁平均截面力；
73.式(i)中的前纵梁平均截面力是前纵梁碰撞力相对第二吸能阶段的平均力f2的占比，前纵梁平均截面力为第二吸能阶段的平均力f2的70％，在本实施例中即为160kn。前纵梁平均截面力是步骤s1中所要求得的关键数据之一，它就是前纵梁的轴向压溃截面力目标值。
74.(j)：根据公式得到第三吸能阶段的平均力f3；
75.与式(f)和式(h)类似，式(j)中的第三吸能阶段的吸能e3由式(g)可得为24.7kj，第三吸能阶段的理论最大可利用压溃距离s为60mm，吸能效率η3为0.8，因此根据式(j)可得第三吸能阶段的平均力f3为514.6kn。
76.(k)：根据公式得到平均加速度a。
77.式(k)中的第三吸能阶段的平均力f3由式(j)可得为514.6kn因此根据式(k)可得平均加速度a为29.98kg/n。平均加速度a是步骤s1中所要求得的关键数据之一，其必须小于最大峰值加速度a
max
。
78.s2：创建不同形状的前纵梁截面及其截面参数和单轴压溃简单拉伸模型，并计算其轴向压溃截面力。
79.请一并参阅图2至图3，具体地，创建前纵梁截面参数包括：根据前纵梁设计空间，在成熟的商业有限元软件中创建几种待评价的2d截面方案。优选地，有限元软件可选择ansa或hypermesh，在创建前纵梁截面参数时，可以尝试创建多种不同形状的前纵梁截面及其参数。
80.请着重参阅图2，在本实施例中，创建了三种形状不同的前纵梁截面及其参数，该三种前纵梁截面分别为矩形、正六边形和两个正六边形并排排列。
81.请着重参阅图3，进一步地，创建单轴压溃简单拉伸模型并计算其轴向压溃截面力也需要通过有限元软件进行软件计算，即通过有限元软件，根据不同形状的前纵梁截面的参数及其单轴压溃简单拉伸模型分别计算不同形状的前纵梁的轴向压溃截面力。在本实施例中，所述三种形状不同的截面示例各自设定了的焊点、材料及料厚，随后以统一的长度500mm进行拉伸模型处理，计算其单轴压溃的平均截面力。
82.s3：判断得到的轴向压溃截面力是否大于前纵梁的轴向压溃截面力目标值，若符合大于，则计算对应的前纵梁截面参数的截面效率和吸能效率；
83.具体地，步骤s2中所得的轴向压溃截面力需要与步骤s1所得的前纵梁的轴向压溃截面力目标值，即前纵梁平均截面力进行对比。若步骤s2中的任意形状的前纵梁截面的轴向压溃截面力小于步骤s1中所得的前纵梁平均截面力，则代表其无法达到预期的设计效果，吸能效果不佳。在本实施例中，前纵梁平均截面力经步骤s1计算所得为160kn。
84.若步骤s2中所得的轴向压溃截面力小于步骤s1所得的前纵梁的轴向压溃截面力目标值，即前纵梁平均截面力，则对步骤s2所得的前纵梁截面参数进行调整，直至其轴向压溃截面力大于步骤s1所得的前纵梁的轴向压溃截面力目标值。
85.若步骤s2中所得的轴向压溃截面力大于步骤s1所得的前纵梁的轴向压溃截面力目标值，即前纵梁平均截面力，则将其简单拉伸模型导入显式分析软件(如radioss软件)中仿真计算，获取其前纵梁截面参数的截面效率和吸能效率。
86.截面效率(efficiency in crush)的公式为是纵梁在碰撞过程中的吸能比例，以截面平均荷载力f
average
相对瞬时峰值力f
max
的占比表示。
87.吸能效率为单位质量所吸收的能量。
88.在本实施例中，三种形状不同的前纵梁截面参数的截面效率和吸能效率，见下表。
89.表1满足轴向压溃截面力目标值160kn的三组截面方案
[0090][0091]
s4：根据得到的符合条件的前纵梁截面参数的截面效率和吸能效率，对不同形状的前纵梁截面进行优选；
[0092]
具体地，根据表1可知，三种截面实例的吸能效率和截面效率对比情况有所不同，其中正六边形的吸能效率明显大于另外两者，而正六边形的截面效率则介于两者之间，三者的截面效率实际差距不大，基于产品轻量化的考虑，优选正六边形的截面实例。
[0093]
s5：根据得到的优选结果和设计边界，进行前纵梁结构设计。
[0094]
具体地，设计边界包括动力总成、轮胎包络、真空助力器和传动轴的相关参数，根
据步骤s4优选所得的正六边形前纵梁截面，设计可得两种前纵梁结构。
[0095]
请一并参阅图4和图7，图4和图7分别为两种具有步骤s4优选所得的正六边形截面的左前纵梁结构。左前纵梁实施例一和左前纵梁实施例二均具有结构新颖，吸能效率高，且结构轻量化的特点。
[0096]
请着重参阅图4至图6，左前纵梁实施例一包括前纵梁内板1和前纵梁外板2，冲压成型的前纵梁内板1与冲压成型的前纵梁外板2以焊接等方式固定，前纵梁内板1和前纵梁外板2形成正六边形闭合截面。前纵梁外板2上有凹设于前纵梁外板侧边的加强筋结构。左前纵梁实施例一为薄壁梁结构。
[0097]
请着重参阅图7至图9，左前纵梁实施例二中的左前纵梁为两段式结构，包括正六边形的挤压铝型材纵梁前段3和铸铝件形式的纵梁后段4。纵梁前段3采用挤压铝，能够实现轴向压溃吸能，在强度和可碰撞性之间呈现出优异的平衡。纵梁后段4采用铸铝，由前纵梁后段外板42和前纵梁后段内加强板41以铆接等方式固结一体，实现零部件高度集成。左前纵梁实施例二也可设计成较复杂的结构。
[0098]
综上所述，本发明根据碰撞安全开发策略，进行碰撞载荷目标设定与分解，随后创建前纵梁截面参数及其单轴压溃简单拉伸模型并计算其轴向压溃截面力，根据截面效率和吸能效率优选方案，在汽车前纵梁早期概念设计时充分合理地考虑正碰性能得到其截面方案，为汽车前纵梁向正面耐碰性能的结构设计提供了可靠方法和理论依据，提高了设计效率。
[0099]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。